title=VCE 物理/單元 2/AoS 2/2.8：粒子加速器的工作原理？
在本選修課中，學生將探索粒子加速器的工作原理和用途，以產生輻射並使粒子發生碰撞。使用粒子加速器，人們可以觀察到可能曾經存在於自然界中但現在不存在的粒子。對這些粒子的研究可以發展和挑戰早期宇宙的理論。學生將研究各種加速器技術的發展和比較。粒子加速器和對撞機包括澳大利亞同步加速器和大型強子對撞機。
為了理解粒子加速器是什麼以及它們是如何工作的，你需要掌握一些物理概念。
- 你可以使用電場來加速帶電粒子。
- 你可以透過使用電池或其他電源產生電勢差來產生電場。例如，電池在電路中產生的電勢差會在電路中產生電場，導致電子在電路的導線中移動（單元 1，學習領域 2：電路的工作原理？）。
- 你可以使用磁場來改變帶電粒子的運動軌跡。
- 你可能以前遇到過這種情況，但在本課程中，直到單元 3，學習領域 1：物體如何在沒有接觸的情況下移動？你才會學習這種相互作用的細節。現在，你只需要知道可以做到這一點。
- 如果你加速一個帶電粒子，它會以光（電磁波）的形式發射輻射。發射光的波長取決於粒子的運動。光會帶走能量，因此粒子會因這種發射而減速。
- 你在單元 1，AoS 1：將熱物理學應用於氣候科學中學習了光譜，它是由不同波長的電磁波組成的。你在單元 1，學習領域 3：什麼是物質，它是如何形成的？中接觸到加速帶電粒子發射輻射的現象。
粒子加速器使用電場來加速帶電粒子（如電子和質子），並使用磁場來改變粒子的運動軌跡。
粒子加速器有各種用途，例如
- 在醫學領域：質子束有時被用來轟擊癌細胞以殺死腫瘤 - 這被稱為質子治療。
- 在工業領域：硼離子或其他離子可以被用來轟擊矽晶圓，以生產半導體 - 這被稱為離子注入。
- 在研究領域：考古學家經常使用碳十四測年法來確定有機物（如骨骼）的年代 - 這通常使用被稱為加速器質譜儀的粒子加速器來完成。
這些例子中的粒子加速器以相對低的能量工作。在這裡，能量指的是賦予粒子的動能，因此低能量 = 低粒子速度。但是，對於本選修課，你將主要探索粒子加速器的應用，這些加速器將粒子加速到我們所能達到的最高能量（最高速度）。這些粒子加速器
- 產生同步輻射；以及
- 使粒子發生碰撞（使它們相互撞擊）。
你可以根據粒子加速器賦予粒子的動能（即它們將粒子加速到什麼速度）來對其進行分類。能量的 SI 單位是焦耳（符號“J”），但是，你通常會發現與粒子加速器相關的動能以電子伏特（符號“eV”）表示。這是因為使用電子伏特有時會更簡單。例如，一個透過由100 V電勢差產生的電場加速的粒子，其動能為100 eV。電子伏特在處理粒子能量時已經成為慣例。
1 eV是一個很大的能量嗎？1 eV是多少焦耳（查閱一下）？
你可能覺得可以用單元 2，學習領域 1：如何描述和解釋運動？中的方程來計算粒子的速度（首先將 eV 轉換為 J）。但是，如果你學習了單元 3，學習領域 3：物體能走多快？，你會發現這個方程只是對速度遠小於光速的物體的近似。即使在低能粒子加速器（例如用於質子治療的加速器）中，粒子也以光速的很大一部分速度運動，因此這個方程不再是一個很好的近似值。
對於本選修課，你不需要能夠計算給定能量（以 eV 表示）的粒子的速度。你只需要理解，對於同一種粒子，更大的動能（以 eV 表示）意味著粒子會移動得更快。例如，查閱質子治療中使用的質子的典型能量，並將它與大型強子對撞機中質子的最終能量進行比較。哪一個移動得更快？但是，要小心，如果你有兩個不同質量的粒子以相同的速度運動（例如，一個質子和一個電子），質量更大的粒子具有更大的能量，例如，以相同速度運動的質子比電子具有更大的能量。你可以從中理解這一點，即使它不是完全正確的方程。
加速器有很多型別，但它們通常可以分為
- 線性粒子加速器（簡稱直線加速器），它沿直線加速粒子（線性表示“一條直線”）；以及
- 那些沿近似圓形路徑加速粒子的加速器——通常由直線部分和彎曲部分組成。
老式電視透過向塗有不同顏色熒光粉（紅、綠、藍）的玻璃螢幕發射電子來生成影像，這些熒光粉在被擊中時會發光。電子的路徑被磁場彎曲，以到達螢幕的不同部位。這本質上是一個非常低能量的直線加速器。然而，在老式電視中加速電子的元件被稱為“電子槍”（因為它們發射電子）。它們實際上只是直線加速器的部分元件。術語“直線加速器”通常用於加速帶電粒子到更高速度的加速器——但所涉及的原理相同。
對於所有加速器，帶電粒子以類似於“電子槍”的方式產生，然後在直線加速器中加速。對於圓形加速器，它們隨後被“注入”到一個圓形路徑中。有時會存在多個圓形路徑——粒子首先在一個小圓形路徑中被加速，然後當它們速度太快而無法被包含在較小的圓形路徑中時，被轉移到一個較大的圓形路徑中。
圓形加速器比直線加速器更復雜，因為需要在加速粒子的同時，顯著彎曲粒子的路徑。這就是為什麼它們通常具有直線部分（在這些部分中加速粒子）和彎曲部分，這些彎曲部分連線在一起形成近似圓形路徑的原因。然而，它們通常比直線加速器產生更高能量的粒子，因為粒子可以多次繞圓形路徑運動，從而提供更長的距離和更多的時間來加速粒子。
一個 迴旋加速器 是一種相對簡單的圓形粒子加速器，因為它具有固定的磁場。粒子以螺旋形運動——圓形路徑的半徑隨著速度的增加而增加，因為它們在被固定磁場偏轉相同的量時，會走得更遠。
一個 同步加速器 是一種使用可變磁場的圓形粒子加速器。彎曲粒子路徑的磁場的強度隨著帶電粒子速度的增加而增加，因此粒子保持在相同的圓形路徑上。同步加速器更復雜，因為磁場強度的增加必須與粒子速度的增加同步（因此得名）。
即使許多粒子對撞機是“同步加速器”，但術語“同步加速器”通常僅用於指代使用粒子產生的輻射的加速器。用於使粒子對撞的同步加速器被稱為“對撞機”。
如前所述，術語“同步加速器”現在通常僅用於指代使用粒子產生的輻射的加速器，例如 澳大利亞同步加速器。
有關同步加速器的工作原理、其產生的輻射與其他輻射源的區別以及同步輻射應用的詳細資訊，請首先檢視 舊的澳大利亞同步加速器網站。
該選項的這部分與 第一單元，學習領域 3：物質是什麼，它是如何形成的？ 最密切相關。
粒子對撞機旨在使粒子發生碰撞，而不是利用它們產生的輻射。在粒子對撞機中，帶電粒子發出的輻射成為一個問題，而不是設計的一部分。當粒子在一個圓周內加速以將其提升到碰撞所需的速率/能量時，它們會發出輻射並損失能量，從而減速。粒子迴圈的速度越快，它們的加速度就越大，它們損失的能量就越多。因此，需要將更多能量注入迴圈粒子中，而不是它們損失的能量，同時還要求隨著粒子迴圈速度的加快，向粒子中注入更多能量（以克服不斷增加的損失）。
使粒子發生碰撞的目的是研究宇宙在儘可能小的尺度上的組成部分。從這個意義上說，粒子對撞機是地球上最強大的顯微鏡。雖然有些顯微鏡可以幫助我們“看到”分子和原子（例如 掃描隧道顯微鏡 (STM) 和 原子力顯微鏡 (AFM)），我們可以使用粒子對撞機來觀察原子內部、原子核內部、檢查電子、質子、中子的性質等等。
目前正在執行的主要粒子對撞機是 大型強子對撞機，位於 歐洲核子研究組織 (CERN)。雖然還有其他粒子對撞機，但沒有一個能達到 LHC 的能量水平，只有少數能接近。執行 LHC 所需的專業知識、努力和資金，測試我們對基本粒子及其相互作用的知識的極限，只有透過國家間的國際合作才有可能。LHC 是一項多國合作專案，預算高達數十億美元——它是一項非凡的工程壯舉，也是一項驚人的科學實驗。
LHC，尤其是可以被認為是“時間機器”。並非指我們可以用它來進行時間旅行，而是指我們可以利用它來重現早期宇宙中存在的情況，從而幫助我們理解宇宙的起源，例如大爆炸。
- 區分使用粒子加速器產生同步輻射和使粒子發生碰撞。
- 區分粒子對撞機和澳大利亞同步加速器的能力。
- 解釋澳大利亞同步加速器中電子直線加速器、圓形加速器、儲存環和光束線的總體目的。
- 解釋為什麼在某些實驗中，同步輻射比雷射光和來自 X 射線管的輻射更可取，並使用亮度、光譜和發散度的特徵進行解釋。
- 解釋對撞機技術的演變，包括
- 參與碰撞事件的粒子
- 自 1950 年代以來獲得的越來越高的能量
- 評估對撞機在粒子物理學標準模型發展中的作用，包括對亞原子結構和過程的參考。
- 描述碰撞產物，參考符號、電荷、靜止能量和壽命。
- 比較大型強子對撞機上粒子探測器的物理設計和目的，包括 ATLAS、CMS、ALICE 和 LHCb。
- 解釋大型強子對撞機收集的大量資料如何儲存和分析，以及粒子探測器在資訊處理技術發展中所起的作用。
- 描述至少一項粒子加速器的應用，這些應用選自
- 材料分析和改性，導致消費者產品（如熱縮膜和巧克力）的改進
- 在矽晶片中注入離子，使它們在電子產品（如計算機和智慧手機）中更加有效——核能應用，例如使用釷作為核能生產的替代燃料或核廢料處理
- 涉及蛋白質結構分析的藥物研究，導致開發治療重大疾病的新藥
- 涉及蛋白質代謝分析的 DNA 研究，導致開發新的抗生素
- 醫療應用，例如生產用於醫療診斷和治療的各種放射性同位素，或透過使用粒子束進行癌症治療
- 光譜法在環境監測中的應用，或電子束在汙染處理（如汙染水、汙泥和煙囪氣體）中的應用
- 粒子加速器在特定實驗或科學研究中的應用
- 調查對撞機技術當前和未來發展方向。